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金剛石的晶體生長(cháng)奧秘

  晶體形成的過(guò)程就是物質(zhì)從其它相轉變?yōu)榻Y晶相的過(guò)程。也就是原來(lái)的非晶物質(zhì)在一定的物理化學(xué)條件下(溫度、壓力和組分濃度等)轉變?yōu)榻Y晶物質(zhì)的過(guò)程。晶體形成的方式主要有:

  一種氣體處于它的過(guò)飽和蒸汽壓或過(guò)冷卻溫度條件下,直接由氣相轉變?yōu)榫w。生活中最典型的例子是冰花,冬季玻璃窗上的冰花就是由空氣中的水蒸氣直接結晶的結果。  


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02由液體(溶液或熔融體)中結晶

 

 

03由固相轉變?yōu)榫w


這種相變亦可有兩種方式:

因為與結晶相比,非晶質(zhì)體具有較大的自由能,所以它可以自發(fā)地向自由能較小的晶質(zhì)體轉變。如石墨制品有非晶質(zhì)的焦炭,瀝青等經(jīng)過(guò)高溫作用形成石墨晶體。

這種相變,即通常所謂的同質(zhì)多象轉變。例如人造金剛石,通常是由石墨在高溫和極大的壓力下轉變而成的。 



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                                              但在實(shí)際生長(cháng)過(guò)程中,由于生長(cháng)時(shí)的外界環(huán)境總是或多或少的偏離理想條件,面網(wǎng)在生長(cháng)時(shí)就不可能?chē)栏竦刂饘悠叫邢蛲馔埔?,而往往是按格子構造聚合而成的質(zhì)點(diǎn)基團成團的粘附到晶核(芽)上去,值得注意的是,這些質(zhì)點(diǎn)基團和晶核(芽)之間,質(zhì)點(diǎn)基團與質(zhì)點(diǎn)基團之間,并不是按照格子構造規律嚴格地互相平行的,經(jīng)常存在著(zhù)很微小的角度偏差,有時(shí)甚至造成晶體結構上的某些缺陷。除此之外,就是隨著(zhù)晶體的長(cháng)大,溶質(zhì)供應的不均勻性會(huì )逐漸明顯,相對來(lái)說(shuō),角頂處接受溶質(zhì)的機會(huì )最多,晶棱附近次之,晶面中心則最小,因而質(zhì)點(diǎn)將優(yōu)先在角頂和晶棱附近堆積。

而對于由一種晶體轉化成另一種晶體的機理,我們以石墨轉化成金剛石為例,人造金剛石生長(cháng)機理由于在高溫高壓下檢測困難的限制,我們不能直觀(guān)的了解其變化過(guò)程,所以其機理都是由研究者根據晶體的一般規律推理出來(lái)的,并且有很多種說(shuō)法,其中最主要的理論模型包括兩類(lèi):一類(lèi)是不破鍵觀(guān)點(diǎn)(無(wú)擴散,直接轉變觀(guān)點(diǎn)),包括固相轉化說(shuō)和結構轉化說(shuō);另一類(lèi)是破鍵觀(guān)點(diǎn)(溶解、擴散觀(guān)點(diǎn)),包括溶劑說(shuō)、催化劑說(shuō)、溶劑一催化劑說(shuō)等。

  破鍵觀(guān)點(diǎn)認為,石墨化學(xué)鍵先經(jīng)破裂,然后重建為金剛石鍵,經(jīng)過(guò)了一個(gè)由碳原子鍵打開(kāi)到重新組合成新鍵的過(guò)程。這在結晶化學(xué)中稱(chēng)為重建性轉變。實(shí)現這種轉變往往需要提供較多的能量。在這一過(guò)程中,包含碳原子的溶解、擴散和再結晶等幾個(gè)步驟,一般可以認為是固一液一固轉變,遵循上面講的從液相中結晶的一般規律。例如晶體隨時(shí)間延長(cháng)而長(cháng)大,表面有生長(cháng)臺階、生長(cháng)螺旋。

  現就目前比較熱門(mén)的大顆粒金剛石的合成機理從溶劑說(shuō)的機理加以解釋?zhuān)?/span>

金剛石結晶的動(dòng)力是溶液中金剛石的過(guò)飽和度,結晶形態(tài)和晶體的形成與長(cháng)大,都與過(guò)飽和度直接相關(guān)。過(guò)飽和度大小取決于在具體P、T條件下石墨與金剛石溶解度之差,造成過(guò)飽和的原因是石墨與金剛石在熱力學(xué)上的勢差——化學(xué)位之差。在一定溫度范圍內金剛石比石墨穩定,因而石墨較容易溶解,即石墨溶解度比金剛石大。這一理論的有力證據是人造金剛石表面的形態(tài)和缺陷,比如在金剛石的( 111)面發(fā)現生長(cháng)臺階和螺旋線(xiàn)。  


金剛石單晶,細顆粒金剛石,人造金剛石,長(cháng)沙金剛石晶種法合成大顆粒金剛石的示意圖

金剛石單晶,細顆粒金剛石,人造金剛石,長(cháng)沙金剛石圖中可看到明顯的生長(cháng)臺階

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